Асинхронная электрическая машина представляет собой особый тип электромеханического преобразователя, в котором скорость вращения ротора не является строго фиксированной и зависит от приложенной механической нагрузки. Именно эта ключевая особенность — изменение скорости под нагрузкой — и отличает её от синхронных машин, ротор которых вращается с постоянной, синхронной скоростью.
Историческое наследие
Зарождение технологии связано с именем выдающегося русского инженера Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. В 1888 году он не только создал первый в мире трёхфазный асинхронный генератор, но и на его основе сконструировал первую работоспособную асинхронную машину. Уже в 1889 году им была разработана более совершенная модель с короткозамкнутым ротором. Несмотря на многолетнюю эволюцию и множество технических усовершенствований, фундаментальные принципы конструкции, заложенные Доливо-Добровольским, остаются незыблемыми и по сей день.
Сфера применения и преимущества
Наиболее распространённая роль асинхронных машин — это роль двигателя, приводящего в движение станки, насосы, вентиляторы и множество других механизмов. Однако их функционал не ограничивается этим: они могут работать как генераторы, преобразователи частоты, фаз и напряжения. Наибольшее распространение получили трёхфазные асинхронные двигатели, что объясняется их выдающимися эксплуатационными качествами: высокой надёжностью, простотой конструкции и обслуживания, относительно низкой стоимостью и отличными энергетическими показателями.
Принцип действия и конструкция
Работа асинхронной машины основана на фундаментальном физическом явлении — взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора (чаще всего трёхфазным током), с токами, наведёнными этим полем в проводниках ротора. Эта сила и приводит ротор во вращение.
Конструктивно любая асинхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Оба элемента для снижения потерь на вихревые токи обычно набираются из изолированных друг от друга тонких листов электротехнической стали толщиной около 0,5 мм. В пазах этой магнитопроводящей системы укладываются обмотки. Между статором и ротором существует минимальный воздушный зазор (примерно 0,25 мм), увеличение которого напрямую ухудшает рабочие характеристики машины.
Регулирование скорости и рабочие характеристики
Скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать несколькими способами. В промышленных установках часто применяют реостат, включаемый в цепь ротора. Другие методы включают изменение числа пар полюсов обмотки статора, варьирование частоты питающего тока (частотное регулирование) или каскадное соединение нескольких машин. Наиболее плавное и эффективное регулирование обеспечивает именно изменение частоты тока с помощью специального преобразователя.
Важнейшими характеристиками двигателя являются его перегрузочная способность и интегральный показатель — произведение коэффициента полезного действия (КПД) на коэффициент мощности (cos φ). Эти параметры во многом зависят от конструкции ротора.
Сравнение типов роторов
Рабочие и пусковые свойства двигателей с разными роторами при одинаковых статорах можно оценить по следующим данным:
- Ротор с круглыми пазами: демонстрирует высокий КПД (0.907) и отличный коэффициент мощности (0.925), но имеет умеренные пусковые характеристики.
- Ротор с глубокими пазами: КПД и cos φ несколько ниже (0.897 и 0.86 соответственно), однако такой ротор обеспечивает лучший пусковой момент.
- Ротор с двойной беличьей клеткой: имеет схожие с предыдущим типом энергетические показатели (КПД=0.896, cos φ=0.85), но при этом обладает ещё более высоким пусковым моментом при сниженном пусковом токе.
Изменение направления вращения (реверс) двигателя осуществляется простой перестановкой двух фаз питающего напряжения на обмотке статора. Если скорость ротора под действием внешних сил (например, при спуске груза) превысит синхронную скорость вращения поля, машина автоматически переходит в генераторный режим, возвращая электроэнергию в сеть.